Характеристика алкадієнів (стр. 1 из 2)

АЛКАДІЄНИ

1. Номенклатура. Класифікація

Назви алкадієнів утворюються як похідні від назв відповідних алканів при заміщенні суфікса -н закінченням -дієн, після якого через дефіс зазначаються локанти, тобто номери атомів карбону, з яких починаються подвійні зв¢язки. При цьому головний ланцюг нумерують таким чином, щоб до нього входили обидва подвійних зв¢язки, а атоми карбону, сполучені подвійними зв¢язками, одержали найменші номери.

Для деяких алкадієнів користуються тривіальною номенклатурою, наприклад:

CH₃

½

CH₂=CH-CH=CH₂ CH₂=C-CH=CH₂ CH₃-CH=CH-CH=CH₂

Бутадієн-1,3 2-Метилбутадієн Пентадієн-1,3

(дивініл) (ізопрен) (піперилен)

Залежно від взаємного розміщення подвійних зв¢язків алкадієни поділяються на три групи:

-ізольовані, в яких подвійні зв¢язки в ланцюгу розділені одним чи декількома sp³-гібридизованими атомами карбону:

>C=CH-(CH₂)_n-CH=C<, де n = 1,2,3…;

Ізольовані алкадієни виявляють хімічні властивості, подібні до звичайних алкенів з тією лише різницею, що у реакцію може вступати не один, а два подвійних зв¢язки незалежно один від одного;

-кумульовані алкадієни, в яких обидва подвійні зв¢язки знаходяться поруч і належать одному атому карбону, наприклад:

СН₂=С=СН₂

Пропадієн (ален)

Цю групу алкадієнів часто називають аленовими вуглеводнями за першим членом гомологічного ряду; аленові вуглеводні є нестійкими сполуками, вони швидко ізомеризуються в алкіни, тому не мають самостійного значення;

-спряжені алкадієни, в яких подвійні зв¢язки розділені лише одним s-зв¢язком С-С:

>C=CH-CH=C<.

Саме спряжені алкадієни мають найважливіше значення в органічному синтезі.

2. Електронна будова спряжених алкадієнів

Спряжені сполуки з почерговим розміщенням подвійних і одинарних зв¢язків між атомами карбону в ланцюгу відрізняються за хімічними властивостями від інших ненасичених вуглеводнів, що зумовлюється наявністю електронного ефекту спряження.

Спряження – це виникненя єдиної π-електронної хмари внаслідок перекривання негібридизованих р_Z-орбіталей атомів карбону, які одночасно утворюють подвійні та одинарні зв¢язки С-С.

Найпростішим спряженим алкадієном є бутадієн-1,3, в якому всі чотири атоми карбону перебувають у sp²-гібридизованому стані і складають s-скелет молекули (рис.1). Причому осі sp²-гібридизованих орбіталей знаходяться на одній площині, а негібридизовані р_z-орбіталі кожного атома карбону перпендикулярні до площини s-скелета і паралельні одна відносно одної. Це створює умови їх взаємного перекривання не тільки між атомами С₁-С₂ і С₃-С₄, але й частково між С₂-С₃. Завдяки такому боковому перекриванню чотирьох р_z-орбіталей утворюється єдина p-електронна хмара – так зване p,p-спряження зв¢язків, при якому p-електрони вже не належать окремим зв¢язкам, а делокалізуються по спряженій системі в цілому.

Делокалізація електронної густини – це її розподілення по всій спряженій системі, по всіх зв¢язках і атомах.

Рисунок 1 – Утворення спряженої системи в молекулі бутадієну-1,3: жирним пунктиром показане перекривання негібридизованих р_z-орбіталей над і під площиною s-скелета

Делокалізація p-електронів супроводжується виділенням енергії. Оскільки спряжені системи мають менший запас енергії, вони виявляють більшу стійкість порівняно з ізольованими алкадієнами. Енергія, що вивільняється за рахунок спряження, називається енергією делокалізації, або енергією спряження; для бутадіну-1,3 вона складає 15кДж/моль.

У результаті утворення спряженої системи довжини зв¢язків частково вирівнюються і стають меншими, ніж довжина одинарного зв¢язку в алканах (0,154нм), але більшими, ніж довжина подвійного зв¢язку в алкенах (0,133нм):

Н Н

½ ½

Н 0,137 нм С 0,146 нм С

С С 0,137 нм Н

½ ½

Н Н

Схематично ефект спряження та вирівнювання довжин зв¢язків зображують стрілками чи крапками:

СН₂===СН---СН===СН₂

СН₂ СН СН СН₂

3. Ізомерія алкадієнів

Алкадієни здатні виявляти структурну і просторову (геометричну) ізомерію. Наприклад, для складу С₇Н₁₂ ізомери можуть відрізнятися різним положенням як подвійного зв¢язку і бокових радикалів, так і різним просторовим розташуванням вуглецевого ланцюга.

Приклади структурних ізомерів:

СН₂=СН-СН-СН=СН–СН₃ СН₃-С=СН-СН=СН-СН₃

½ ½

СН₃ СН₃

3-Метигексадієн-1,4 2-Метилгексадієн-2,4

Просторові ізомери гептадієну–2,4

4. Фізичні властивості

За звичайних умов тільки ізомери С₄Н₆ перебувають у газовому стані, ізопрен – рідина, решта дієнових вуглеводнів є рідинами чи твердими речовинами залежно від довжини і розгалуженості вуглецевого скелета. Всі вони малорозчинні у воді, але добре розчиняються в органічних розчинниках.

5. Хімічні властивості спряжених алкадієнів

Для алкадієнів найбільш характерними є реакції електрофільного приєднання А_Е, однак на відміну від алкенів наявність спряженої системи дає деякі особливості в реакціях А_Е. Це зумовлює можливість одержання двох продуктів. Один з них отримується за рахунок приєднання за місцем будь-якого подвійного зв¢язку – такий шлях реакції позначають терміном 1,2-приєднання. А інший продукт утворюється внаслідок приєднання до крайніх атомів С, що складають спряжену систему, – так зване 1,4-приєднання. Переважний напрямок проходження реакції залежить від умов її проведення та природи реагентів.

І Реакції електрофільного приєднання А_Е.

1 Гідрування при використанні паладієвого каталізатора проходить за 1,2-положенням. Якщо гідрування проводять за допомогою водню у момент його виділення (наприклад, внаслідок дії натрієм на спирт), то реакція проходить переважно за 1,4-положенням. На першій стадії утворюються алкени:

+Н₂ [Pd]

-------------------- CH₃-CH₂-CH=CH₂

1,2-Приєднання Бутен-1

СН₂=СН-СН=СН₂---–

Бутадієн-1,3

+Н₂ (2С₂Н₅ОН +2Na)

------------------------CH₃-CH=CH-CH₃.

1,4-Приєднання Бутен-2

При надлишку водню відбувається повне гідрування з утворенням алканів:

Pt

СН₂=СН-СН=СН₂+ 2Н₂(надл.)--------- CH₃-CH₂-CH₂-CH₃.

Бутадієн-1,3 Бутан

2 Галогенування. Залежно від будови дієнового вуглеводню, природи галогену і умов проведення реакцій можуть утворюватися різні продукти. Найчастіше приєднання стехіометричної кількості (1:1) хлору Cl₂ приводить до приблизно однакового виходу 1,2- і 1,4-дихлоралкенів, а при бромуванні переважає 1,4-продукт.

1,4-Приєднання

-------------------- CH₂-CH=CH-CH₂

½ ½

СН₂=СН-СН=СН₂ + Hal₂--- Нal Нal

Дивініл 1,4–Дигалогенбутен–2

1,2-Приєднання

--------------------- CH₂-CH-CH=CH₂

½ ½

Нal Нal

3,4-Дигалогенбутен–1

При надлишку галогену утворюються тетрагалогеналкани:

СН₂=СН-СН=СН₂ + 2Br₂ (надл.)- H₂Br-CHBr-CHBr-CH₂Br.

Дивініл 1,2,3,4- Тетрабромбутан

3 Гідрогалогенування. Приєднання галогеноводнів підлягає тим самим закономірностям. Якщо реакція проходить за 1,2-положенням, то діє правило Марковникова:

1,4-Приєднання

------------------------ CH₃-CH=CH-CH₂Br

1-Бромбутен-2

СН₂=СН-СН=СН₂ + HBr---

Дивініл 1,2-Приєднання

-------------------------- CH₂=CH-CHBr-CH₃

3-Бромбутен-1

1,4-Приєднання

------------------ CH₃-CH₂-CHBr-CH₂Br

1,2-Дибромбутан

СН₂=СН-СН=СН₂ + 2HBr----

Дивініл (надл.) 1,2-Приєднання

-------------------- CH₃-CHBr-CHBr-CH₃

2,3-Дибромбутан

4 Гіпогалогенування на відміну від попередніх реакцій А_Е проходить переважно у 1,2-положенні згідно із правилом Марковникова:

d- d+ 1,2-

CH₂=CH-CH=CH₂ + HO-Br ------ CH₂Br-CH(OH)-CH=CH₂

Дивініл 4- Бромбутен-1-ол-3

ІІ Синхронні (молекулярні) реакції

Прикладом синхронних реакцій, при яких розрив хімічних зв’язків проходить одночасно в обох вихідних речовинах, є синтез Дильса-Альдера – нагрівання дієнових вуглеводнів з алкенами чи іншими сполуками, які містять один подвійний зв¢язок >C=C< у ланцюгу. Цей процес широко використовується для одержання шестичленних циклів.

ІІІ Ди- і полімеризація

1Димеризація - це сполучення двох молекул алкадієну,

причому одна з молекул реагує за 1,2-, а інша – за 1,4-положенням, наприклад: